图1 用于HEV/EV的牵引电动机的设计选项

要在最短的时间内设计出复杂的新一代电动机系统总成，使用反复试验的原型测试方法根本无法完成任务，而基于多物理场和仿真技术设计的产品开发使其可以快速评估多领域内的数百个方案，并在真实的驱动系统中进行各种设定工况的测试和研究，预测汽车的行为和性能，并优化最终设计方案。

混合动力车（HEV）与电动车（EV）正快速成为全球汽车市场的新宠。在众多OEM进行HEV与EV开发的过程中，设计牵引电动机是其面临的最大挑战之一。在大多数情况下，牵引电动机多采用的是内嵌式永磁（IPM）同步电动机，设计者需要将电损与磁损降到最低，为消费者提供最大的续航里程。不仅如此，与传统的电动机不同，应用于EV与HEV的牵引电动机还存在一些特殊的要求，如散热与电磁问题。同时，工程师还需要考虑对汽车性能、可靠性以及成本产生主要影响的结构等。

面对这些挑战，无缝集成一体化多物理场仿真技术能够帮助汽车厂商在进行物理原型设计前对各种设计替代方案的功能、性能和成本进行快速评估，从而使难题迎刃而解。这种快速优化牵引电动机性能设计方案，与传统设计方法比较，可以大大加快开发速度，降低成本。

图2  FEA精确反映非线性局部饱和

设计难题

相对于传统的电动机设计，用于HEV/EV的牵引电动机的设计要复杂得多，因为设计过程中有许多新的流程、未知因素和不确定因素需要纳入考虑范围。首先要确定的是使用 IPM、IM（感应式电动机）还是 SRM（开关磁阻电动机）呢？如果选用IPM，应在什么地方放置磁体，每个极应布置多少块磁体？什么样的配置才能产生足够的转矩和速度，同时又能尽量减少转矩脉动？如何配置电动机才能使其提供永磁（PM）转矩与磁阻转矩的最佳组合？定子绕组是应该采用单股铜线还是多股铜线设计？绕组应选用集中绕组还是分布绕组？应采用单层转子磁体放置还是双层转子磁体放置？图1显示了这些设计选项中的部分选项。

效率是电动机设计中最重要的问题之一，最大限度地减少电磁损耗具有至关重要的意义，因为任何损耗都会缩短电池的使用寿命，而且还会产生热量，导致更大的能耗。因此，在宽调速范围、不同电流等运行条件下，电动机的铜损和叠片铁芯的铁损都必须准确计算出来。此外，牵引电动机除了能够驱动汽车之外，还能将制动产生的能量回馈为电能给电池充电，这让设计和计算更加复杂。

在使用过程中，牵引电动机必须能够在极热与极寒的温度、强烈的振动、高负荷以及恶劣的道路条件下保持始终稳定可靠地运行。在HEV中，牵引电动机还要在引擎盖下的高温中工作。这些变量以及其它各种因素都必须在引擎设计过程中进行解决。

IPM电动机既有磁阻转矩又具有永磁（PM）转矩，因而即使是最完善的独立IPM电动机设计与最佳的独立控制器/电力电子系统设计也不一定能实现最优化的系统。就HEV与EV而言，只有将电动机、控制器、电力电子系统完美地结合在一起，才能实现极具竞争优势的设计。

在HEV与EV牵引电动机的设计中，除了电磁设计，还需要考虑结构与散热问题。举例来说，在转子上用来放置磁体的磁桥需要具备足够的强度，才能将高速旋转的转子固定住。另一方面，从电磁学的角度来看，磁桥的尺寸必须足够小，才能尽量减小其对磁场的影响。

在散热设计中同样涉及类似的权衡折中问题。用于提供给轮胎的动力与用于电池充电的电能都必须经过电力电子系统，因此，即便是电力电子系统中最微小的功率损耗，也会产生大量的热量。不仅如此，在高温的沙漠或低温的冬季环境等运行条件下，热量需要进行妥善管理和疏散才能避免电力电子系统及邻近组件因高热而损坏。我们也需要对电子系统的电损进行精确计算，以确定并设计有效的散热方法，从而确保高效冷却。

常规设计方法的局限

所有上述以及众多其它设计决策都涉及一系列复杂的利弊权衡。为了探索能在市场上获得成功的设计方案，必须对大量可能的替代设计方案进行验证。由于有太多不同的选项需要纳入考虑范畴，OEM根本没有时间和资金来对其中甚至那怕仅是一小部分进行逐一验证。过去，耗费10～15年的时间开发新的内燃机动力系统并不稀奇，但在当前市场竞争中，全球汽车行业的各大厂商必须在很短的时间内开发出HEV与EV才能保持竞争优势。

由于IPM的饱和度高，特别是在图 2 所示的转子磁桥区域，因此需要采用诸如有限元分析（FEA）的三维仿真技术来捕获高饱和的非线性效应。此外，要想尽可能高效地利用电池组中有限的能源，就需要对HEV/EV牵引电动机设计进行非常精准的分析。线性公式显然已不能满足IPM设计的计算精度要求了。

电磁仿真

在开发电动机时，设计团队首先应关注其电磁场。根据最初的CAD绘图和装配的相关工程规范，可以使用电子设计优化软件来定义电动机的主要部件，如电磁材料、线圈配置、匝数、气隙大小等。其寄生参数提取工具可用于计算电动机的电气属性。

可将这些结果输入到电磁场仿真软件中，用以计算出电动机的转矩信息，即在电动机模式下驱动车辆时转矩随时间增加的情况，以及在制动模式下停止车辆时的电阻情况。分析中加入了车重信息，以确定各种情况下的加速和停止时间。在该结果的基础上，设计团队便可以通过更改任意基本设计参数来修改设计方案，从而平衡电动机性能与尺寸、重量和成本之间的关系。

ANSYS Maxwell电磁场仿真软件使用有限元技术，可以全面解决静态、频域和时变性电磁场和电场分析问题。Maxwell的最大优势是其具有自动化的求解过程，用户只需指定几何尺寸、材料属性以及设定求解结果即可进行仿真。从这个角度看，Maxwell在求解时将自动生成自适应网格剖分。ANSYS将基于经典磁路法的电动机设计模块称为“RMxprt”，其可提供用于19种不同类型的电动机设计模板。该工具能够快速生成初始设计，且可将模型导入到具有更高保真度的设计工具中。

多域仿真

ANSYS Simplorer是一款多物理域的系统仿真软件，可用于高性能系统设计，包括电气、热、机电、电磁、控制器设计等。Simplorer可将所有这些物理因素联系起来，最终优化整个电力驱动系统的性能。图3显示了其设计流程。图4举例说明了牵引电动机、IGBT逆变器、电缆/母排和机械负载等全部集成在同一电路中的系统仿真模型。

Simplorer计算出的转矩输出可进一步映射到结构力学软件中，用以计算驱动轴和传动装置等传动系统物理部件的应力、负荷、形变和振动。振动分析之所以重要，是因为电动机可能成为 EV 中噪声的主要来源。可以运用流体动力学分析来研究电动机装配中的热管理问题，从而不仅能够描述能量损耗情况，同时还能确定热量分配。

工程师可以使用电子热分析工具指定传动系统中主热源的几何模型，例如电动机电力电子系统中的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和载流部件等。每个热源各自应用于系统的主要节点，同时考虑了空气循环与热能消耗因素。然后由软件处理该数据并生成热模型，用以确定每个 IGBT 的整体温度曲线。此外，该软件还可提供随温度变化的性能变量，例如电池电能，来避免因热量水平超出指定限度而对 IGBT性能产生不利影响。

基于温度曲线，工程师可利用FEA软件的热、结构耦合分析功能确定由于温升而产生的热应力。电子设计分析工具可用于计算施加在电动机上的电磁力，以确定结构的形变和机械应力的分布情况。然后，工程师还可修改结构以消除应力集中和过度变形，相反，也可以修改那些超出裕度的设计。

在整个电磁和机械开发过程中，在针对不同负载情况进行大量计算以及在对比各种设计方案时，无缝集成多物理域求解软件可协调各种工具间的数据操作和交换。软件全部在单个统一的环境中运行，而且数据在程序间平稳过渡，这些都可促进多物理场协同仿真进程更好地进行。

通用仿真环境

ANSYS 是全球领先的仿真技术供应商，业界领先的工具可满足牵引电机多物理域耦合设计需求：电磁 （ANSYS Maxwell）、电路（ANSYS Simplorer）、机械（ANSYS Mechanical）和计算流体力学 （ANSYS CFD）。这些工具全都能在ANSYS Workbench环境下实现无缝集成和耦合设计。该平台中，项目示意图将整个仿真过程联系起来，帮助用户了解复杂的多物理场耦合分析。此外，该平台还可提供双向CAD连接、自动网格剖分、项目级别更新机制、无处不在的参数管理以及集成的优化工具。

图5展示了基于ANSYS Workbench集成化设计环境仿真牵引电动机设计中典型的多物理场耦合分析问题。该仿真的最终目的是要计算定子叠片和线圈上的应力或形变，以便进行振动、噪声或疲劳分析。结构和热应力分析采用的是相同的几何模型，而Maxwell电磁场求解器可计算各种电磁损耗和电磁力。

Maxwell计算的电磁损耗可作为热负荷、自动基于每个网格映射到热应力求解器中，以计算温度分布。然后，该温度分布结果会自动映射到结构求解器中，用于计算热应力。

与此同时，Maxwell计算的电磁力也可以直接映射到结构求解器中。当然，用户也可以在结构求解器中直接施加其他负荷，而整个仿真会考虑到所有可能的力负载激励，以准确对实际产品的性能进行仿真。工程师可以直接更改几何模型，并可直接更新不同物理域的仿真模型，而不需要在不同的仿真环境下逐个更改仿真模型的几何形状。

高性能计算

图6显示了IPM电机输出转矩与负载角和电流的对比情况。在每种电流激励下，输出转矩都会在特定负载角上达到峰值。因此，要想优化电动机和驱动系统设计，应将该负载角和电流用于电动机驱动，以便在给定的几何形状条件下获得最大的输出转矩。要想获得图示曲线，需要对至少494个参数化方案组合进行仿真，这其中还不包括在不同工作温度下可能发生的电动机形状、速度和材料属性的变化。该实例显示需要对几百上千个设计方案进行仿真之后才能优化出典型的IPM设计方案。图7显示了如何使用ANSYS Optimetrics和采用多核集群的DSO（分布式求解选项）技术对设计进行仿真。在这一实例中，使用48个内核并行求解2200个设计方案时，其加速比为43.2。

结语

汽车工程师需要在最短的时间内为HEV和EV设计出复杂的新一代电动机系统总成，传统的方式已无法满足需求，而基于多物理场和仿真技术设计的产品开发则可帮助他们快速评估多领域内的数百个方案，并在模拟的驱动系统中进行各种设定工况的测试和研究，预测汽车的行为和性能，并优化最终设计方案。

工程师可以使用这些工具设计高性能的牵引电动机，并将其与汽车系统紧密结合。

要在HEV与EV市场中取得成功，OEM和供应商需要的仿真解决方案不仅应具备多物理场技术的广度和深度，同时还应该能够在集成环境下协同工作。